應用壓電陶瓷技術的新型減速帶設備的設計說明書

武建國+高航舵+王奕博+胡安玉

摘 要：壓電陶瓷受到壓力時產生形變，可在其表面產生電壓，并且該電壓值與所加壓力成正比關系。減速帶幾乎是每條公路都必備的一種設施。將減速帶與壓電陶瓷相結合，利用車輛經過減速帶時產生的壓力來使壓電陶瓷發電，從而實現將公路上的無用的機械能轉化電能儲存起來，達到節能減排和可持續發展的目的。

關鍵詞：壓電陶瓷；節能減排；減速帶

作品內容簡介

我們將壓電陶瓷技術與減速帶相結合，設計出一種新型的節能減速帶裝置。壓電陶瓷具有正壓電效應和負壓電效應。在機械力的作用下，壓電陶瓷發生形變，使帶電粒子發生相對位移，從而在晶體表面出現正負束縛的電荷，宏觀表現為壓電陶瓷的正負極出現電壓。減速帶是公路上普遍存在的一種交通安全設備。在城鎮道路上每天都會有成千上萬的車輛在上面碾壓通過。我們將這兩種材料設備結合起來，利用減速帶所承受的壓力和壓電陶瓷因受壓而產生電能的特性研發出新型的節能減速帶。

截止2015年底，我國的汽車保有量已經達到2.79億輛。這就代表著各個城市的道路上每天都會有成千上萬輛車來回穿梭，城市主干道的車流量更是川流不息，而這其中就蘊藏了大量的未被開發的機械能。我們通過利用本設備，將車輛的機械壓力應用于壓電陶瓷之上，可以將這些機械能轉化為電能，實現能量的再利用，從而達到節約能源和可持續發展的目的。并且該設備的原理和制作工藝簡單易懂，造價與普通減速帶相比相差無幾，幾乎不會對道路交通，過往車輛或者是周圍環境產生任何的影響。另一方面，這樣的一個產品的造價與傳統的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將無用的機械能轉化為電能，具有較好的社會經濟效益。

1 研制背景及意義

目前國際上各個國家都在壓電技術方面做研究，并且在壓電技術與公路相結合的方面已取得較大進展。我們小組是將壓電陶瓷技術與減速帶相結合。利用車輛在通過減速帶時產生的壓力，將機械能轉化為電能，從而實現機械能向電能的轉化，達到節能減排和可持續發展的目的。

2 研究歷程

1.了解壓電陶瓷的特性并初選材料

要想正確利用壓電陶瓷，應先充分了解它的特性和工作原理。在前三天的時間里，我們小組成員利用網絡資源，圖書館資源分頭查閱資料了解其原理并將對實驗有幫助的資料上傳到討論組里供大家參考，為以后更好地進行模型制作和試驗奠定了良好的基礎。并且根據所查資料并結合項目本身的實際情況，初步選定了4種壓電陶瓷材料。

2、設計電路

電路的設計決定了產生電能的效果，并聯和串聯兩大基礎電路各有利弊。在之前的對于壓電陶瓷材料的學習過程之中我們已經知道壓電陶瓷材料的電阻很大，不適宜采用串聯電路，而并聯電路能使電阻減小，產生的電流比較可觀。最終，我們決定選擇并聯電路，其次，通過查閱論文和文獻等資料并結合減速帶的結構繪制了電路圖。

3、通過對比試驗，最終選定材料。

我們先將每一種初步選擇的壓電陶瓷與萬能電流表相連，通過施加壓力檢測其產生電壓的能力。經過大家的多次試驗和數據記錄，因為其形狀尺寸適中，受壓時能夠產生較大的電壓，價格適中，比較符合我們試驗的要求，最終我們決定選取矩形壓電陶瓷片進行實驗。

4、制作實物模型。

根據設計的電路圖，結合減速帶的形狀尺寸，經過測量和計算，完成了實物電路連接。將壓電陶瓷線路與減速帶結合，為了保護導線并使壓電陶瓷充分受力和得到保護，我們將兩層PVC板覆蓋在整體線路上，裁出線路槽，將線路充分包裹。最后，引出多余的導線連接在蓄電池上，再將蓄電池安放在減速帶旁。

3 實驗步驟及內容

1、不同車流量下的發電實驗

我們首先選擇在學校車流量較大的地方安放減速帶，在旁邊記錄車流量并計時，每一個小時記錄一次蓄電池的電壓值。同時設計一組蓄電池對比實驗以減小其他因素產生的實驗誤差。將一不做任何處理的蓄電池放在相同環境下，與實驗蓄電池同時記錄電壓值，并在試驗后將數據進行對比，差值即為產生的電能。

2、不同壓力下產生電壓實驗

通過減速帶的壓力主要有人、非機動車和機動車產生的壓力。我們對相關車輛記重并進行實驗，每種壓力進行多次試驗，記錄數據并繪制關系曲線。（數據和曲線圖見附件）

3、等壓下受壓次數與電壓的關系

利用幾組不同壓力，對減速帶分別進行相同次數的次等壓力施壓，每次施壓結束后記錄蓄電池電壓值。記錄數據并進行比較分析繪制出關系曲線。

4 工作原理及性能分析

工作原理：壓電材料具有正壓電效應和負壓電效應。在機械力的作用下，壓電材料發生形變，使帶電粒子發生相對位移，從而在晶體表面出現正負束縛的電荷，宏觀上表現為壓電陶瓷的正負極出現電壓。因壓電陶瓷片本身電阻較大，所以我們將壓電陶瓷片并聯起來，形成一個線路，然后將該線路與蓄電池相連接，再將整套裝置放置于減速帶底部。為了防止摩擦阻力過大損壞壓電陶瓷片以及電線等，特此在裝置上覆蓋一層PVC板，避免壓電陶瓷和電線與地面的直接接觸。當人或車輛在通過減速帶時，產生的壓力使壓電陶瓷發生形變，兩極出現電壓，然后接到蓄電池兩極將該電能 收集儲存。通過這一裝置實現機械能向電能的轉化。

性能分析：我們在人，電動車，普通小汽車等不同情況下，得到了壓力與平均電壓的關系圖。

經分析可得，壓電陶瓷的電壓與其所受的壓力成正比關系。以1.5噸的普通汽車為例，在80mm*65mm的受壓面內經76次試驗，平均單次受壓可產生21.54V電壓。壓電轉化效率最高可達44.21%.（見圖6）

5 創新點及應用

該項目通過將新型壓電技術與減速帶相結合，使公路上損失的無用機械能轉化為電能，實現能量的再利用。減速帶幾乎存在于每條公路上，蘊藏著巨大的機械能。因此該裝置具有很大的開發價值和市場價值。并且通過這種方式，幾乎不會對道路交通產生影響。另一方面，這樣的一個產品的造價與傳統的減速帶相比，價格相差不高，但是卻可以源源不斷的將浪費掉的機械能轉化為電能，完全符合創新性和節能減排的要求。

6 遇到的技術難點和克服方法

1、知識儲備方面。小組成員在之前從未學習過有關壓電陶瓷材料有關方面的知識。因此特意懇請相關專業的老師為我們做專業性的指導，并且在課余時間，小組成員積極的查閱有關資料，學習關于壓電陶瓷和電路等方面的知識。

2、選材方面。壓電陶瓷材料有許多種類，并且每種類別的材料都有其自身的優點和缺點。為了選擇出更符合本設備所要求的陶瓷材料，我們設計了壓力與電壓的對比試驗，以相同壓力作用情況下，產生電壓最大的為優選方向，在已滿足上述前提條件下，尺寸合適，價格便宜為優選方向選擇材料。最終確定矩形壓電陶瓷材料為模型制作所用材料。

3、實物模型的制作。模型制作過程中我們遇到的技術難點有以下幾方面：①整個壓電陶瓷線路與減速帶的結合方式及其各結合方式對壓電轉化的影響。②電路連接方式③減速帶被利用頻率最高的區域如何確定。這些問題通過我們不斷的試驗，從實驗數據分析對比，最終決定以并聯方式，將整個線路鋪設在減速帶下方，同時，為了減少因缺乏某些專業工具而制作出脆弱電路的可能性，降低壓電線路的磨損，我們將整個線路和壓電陶瓷片嵌在PVC板上再進行鋪設。通過觀察實際生活中的減速帶及其車輛的過往情況，確定了減速帶上的高頻使用區域。

7 經濟性分析

普通減速帶造價29元/米，新型節能減速帶造價155元/米。以城市內道路為例，假設一條公路每天車流量為10000次，則可蓄電3度，以每度電0.56元計算，則一天一條公路可省電1.68元，一年可節省電費613.2元。假設普通減速帶壽命為3年來計，節能減速帶壽命為2年來計，則6年內，新型節能減速帶可累計節省3270元。

參考文獻

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